Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Wortsynchrone optische Abtastung wiederholter Datenworte zur Darstellung ihrer Wellenform

31.12.2006

Neben Wellenlängenmultiplexing (WDM) ist optisches Zeitmultiplexing (OTDM) ein Ansatz, um die Datenrate optischer Datenübertragungssysteme zu erhöhen. OTDM-Datenraten von bis zu 640 Gbit/s wurden in Laboranwendungen bereits realisiert, was 64 mal höher ist, als es dem etablierten Stand der Technik entspricht. Für den Test von höchstbitratigen Übertragungsstrecken und ihren Komponenten, in denen Störeffekte kritischer für Bitfehler sind als bei niedrigeren Bitraten, werden neuartige, rein optische Messtechniken benötigt, da die Bandbreite der zurzeit besten elektronischen Abtastoszilloskope und Photodetektoren auf ca.100 GHz begrenzt ist.

In der PTB wurde deshalb bereits in den vergangenen Jahren ein optisches Abtastoszilloskop mit einer Zeitauflösung von 100 fs und einer Instabilität von unter 100 fs entwickelt, mit dem OTDM-Signale mit Bitraten bis zu 640 Gbit/s charakterisiert werden können. Beim optischen Abtasten wird ein Datenstrom im Äquivalentzeit-Modus abgetastet, indem eine optische Kreuzkorrelation zwischen dem Datensignal und einem Zug kurzer Lichtimpulse bei einer niedrigeren Abtastrate gebildet wird, die eine bequeme Detektion des Kreuzkorrelationssignals erlaubt. Durch geeignete Synchronisation des Abtastimpulszuges mit dem Datenstrom wird erreicht, dass zu einem definierten Zeitpunkt innerhalb des Datenstroms abgetastet wird. In dem an der PTB entwickelten optischen Abtastoszilloskop wird diese Synchronisation durch einen Phasenregelkreis (PLL) mit Phasenvergleich bei 10 GHz realisiert, woraus die sehr geringe Zeitinstabilität des Systems resultiert. Ist bei der Synchronisation die Abtastrate eine Subharmonische der Datenrate, so wird immer zum gleichen Zeitpunkt der Äquivalentzeit, d. h. an der gleichen Stelle in den Zeitschlitzen des Datenstroms, abgetastet. Durch eine zusätzliche Variation der Phase im PLL oder durch eine optische Verzögerungsstrecke kann dann jeder Äquivalent-Zeitpunkt erreicht werden, wodurch sich schließlich ein Augendiagramm des Datenstroms erstellen lässt.

Üblicherweise werden zum Test von Übertragungsstrecken Augendiagramme von sich periodisch wiederholenden Bitworten, die aus einer definierten, quasi-zufälligen Bitsequenz bestehen (sog. PRBS-Signale), eingesetzt. Der Nachteil dabei ist, dass im Augendiagramm die Informationen aus allen Bits des PRBS-Signals überlagert dargestellt sind. Für die Diagnose systematischer Bitfehler wäre jedoch die Darstellung der Wellenform einzelner Bits in der Umgebung des Bitfehlers hilfreich. Die dazu benötigte Abtastung der Wellenform wiederholter Datenworte kann durch eine wortsynchrone Abtastung erreicht werden, da in diesem Fall immer das gleiche Bit im Datenwort zum gleichen Äquivalenz-Zeitpunkt abgetastet wird. Durch eine geringfügige, definierte Abweichung von dieser Wortsynchronität kann ein Äquivalenzzeit-Vorschub erreicht werden und ermöglicht schließlich die Darstellung der gesamten Wellenform des PRBS-Signals, bzw. eines Ausschnitts davon (s. Abbildung).

Für eine wortsynchrone Abtastung muss die Abtastfrequenz in ein rationales Verhältnis zur Datenrate gesetzt werden. Hierzu wurde der bestehende Synchronisations-Phasenregelkreis um eine direct-digital synthesis-Schaltung ergänzt, die dieses rationale Verhältnis realisiert. Diese Schaltung kann programmiert werden und erlaubt so auch eine flexible Einstellung des Äquivalenzzeit-Vorschubs sowie eine Anpassung an verschiedene PRBS Wortlängen. Das neuartige, wortsynchrone Abtastverfahren wurde in Zusammenarbeit mit einem namhaften deutschen Hersteller von Bitfehler-Diagnosesystemen für hochbitratige Systeme demonstriert und getestet.